NeuroMechFly: نموذج ميكانيكي حيوي واقعي من الناحية الشكلية للذبابة

“لقد استخدمنا نوعين من البيانات لبناء NeuroMechFly”، هذا ما قاله البروفيسور بافان رامديا من كلية علوم الحياة في Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). 

“أولاً، أخذنا ذبابة حقيقية وأجرينا فحصًا بالأشعة المقطعية لبناء نموذج ميكانيكي حيوي واقعي من الناحية الشكلية. 

كان المصدر الثاني للبيانات هو الحركات الحقيقية لأطراف الذبابة، والتي تم الحصول عليها باستخدام برنامج تقدير الوضع الذي قمنا بتطويره في العامين الماضيين والذي يسمح لنا بتتبع تحركات الحيوان بدقة “.

تنشر مجموعة Ramdya ، التي تعمل مع مجموعة البروفيسور Auke Ijspeert في مختبر EPFL Biorobotics ، ورقة اليوم (11 مايو 2022) في مجلة Nature Methods تعرض أول “توأم رقمي” دقيق على الإطلاق من ذبابة Drosophila melanogaster ، أطلق عليها اسم “NeuroMechFly . “

الوقت يمضي

ذبابة الفاكهة هي الحشرة الأكثر استخدامًا في علوم الحياة والتركيز طويل المدى لأبحاث رامديا الخاصة، التي تعمل على تتبع هذا الحيوان رقميًا ونمذجه لسنوات. 

في عام 2019، نشرت مجموعته DeepFly3D، وهو برنامج لالتقاط الحركة قائم على التعلم العميق يستخدم عدة مشاهدات للكاميرا لتحديد حركات ذبابة الفاكهة في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

استمرارًا للتعلم العميق، نشر فريق Ramdya في عام 2021 LiftPose3D، وهي طريقة لإعادة بناء أشكال حيوانات ثلاثية الأبعاد من صور ثنائية الأبعاد مأخوذة من كاميرا واحدة. 

هذه الأنواع من الاختراقات قد زودت المجالات المتفجرة لعلم الأعصاب والروبوتات المستوحاة من الحيوانات بأدوات لا يمكن المبالغة في فائدتها.

الوقت يمضي

نموذج رقمي من ذبابة الفاكهة السوداء يسمى NeuroMechFly. الائتمان: بافان رمديا (EPFL)

من نواحٍ عديدة، تمثل NeuroMechFly تتويجًا لكل تلك الجهود. مقيدًا بالبيانات المورفولوجية والحركية من هذه الدراسات السابقة، يتميز النموذج بأجزاء حسابية مستقلة تحاكي أجزاء مختلفة من جسم الحشرة. 

يتضمن ذلك هيكلًا خارجيًا ميكانيكيًا حيويًا به أجزاء مفصلية من الجسم، مثل الرأس والساقين والأجنحة وأجزاء البطن والخرطوم والهوائيات والرسن (الأعضاء التي تساعد الذبابة على قياس اتجاهها أثناء الطيران) والشبكة العصبية “وحدات التحكم” مع خرج المحرك.

لماذا بناء توأم رقمي من ذبابة الفاكهة؟

“كيف نعرف متى فهمنا النظام؟” يقول رمديا. “إحدى الطرق هي أن تكون قادرًا على إعادة إنشائه. قد نحاول بناء ذبابة آلية، لكن بناء حيوان محاكاة يكون أسرع وأسهل بكثير. 

لذا فإن أحد الدوافع الرئيسية وراء هذا العمل هو البدء في بناء نموذج يدمج ما نعرفه عن الجهاز العصبي للذبابة والميكانيكا الحيوية لاختبار ما إذا كان ذلك كافياً لشرح سلوكها “.

ويضيف قائلاً: “عندما نجري تجارب، غالبًا ما تحفزنا الفرضيات”. حتى الآن، اعتمدنا على الحدس والمنطق لصياغة الفرضيات والتنبؤات. 

ولكن مع تزايد تعقيد علم الأعصاب، فإننا نعتمد أكثر على النماذج التي يمكنها الجمع بين العديد من المكونات المتشابكة وتشغيلها والتنبؤ بما قد يحدث إذا أجريت تعديلًا هنا أو هناك “.

الاختبار

تقدم NeuroMechFly اختبارًا ذا قيمة عالية للدراسات التي تطور الميكانيكا الحيوية والروبوتات الحيوية، ولكن فقط بقدر ما تمثل الحيوان الحقيقي بدقة في بيئة رقمية. 

كان التحقق من هذا أحد الاهتمامات الرئيسية للباحثين. يقول رامديا: “لقد أجرينا تجارب التحقق من الصحة والتي توضح أنه يمكننا تكرار سلوكيات الحيوانات الحقيقية عن كثب”.

قام الباحثون أولاً بأخذ قياسات ثلاثية الأبعاد للذباب الذي يمشي وتهذيب حقيقيين. ثم قاموا بإعادة تلك السلوكيات باستخدام الهيكل الخارجي الميكانيكي الحيوي لـ NeuroMechFly داخل بيئة محاكاة قائمة على الفيزياء.

الاختبار

جوناثان أريجويت ، وفيكتور لوباتو ريوس ، وأوك إيجسبيرت ، وبافان رامديا ، وشرافان تاتا رامالينجاسيتي ، وجيزيم أوزديل. الائتمان: آلان هرتسوغ (EPFL)

كما هو موضح في الورقة، يمكن للنموذج في الواقع أن يتنبأ بمعلمات الحركة المختلفة التي لا يتم قياسها بطريقة أخرى، مثل عزم دوران الأرجل وقوى رد فعل التلامس مع الأرض. 

أخيرًا، تمكنوا من استخدام القدرات الميكانيكية العصبية الكاملة لـ NeuroMechFly لاكتشاف الشبكة العصبية ومعلمات العضلات التي تسمح للطيران “بالجري” بطرق مُحسَّنة لكل من السرعة والاستقرار.

يقول رمديا: “لقد بنت دراسات الحالة هذه ثقتنا في النموذج”. “لكننا مهتمون أكثر عندما تفشل المحاكاة في تكرار سلوك الحيوان، مع الإشارة إلى طرق تحسين النموذج.” 

وهكذا، فإن NeuroMechFly يمثل اختبارًا قويًا لبناء فهم لكيفية ظهور السلوكيات من التفاعلات بين الأنظمة الميكانيكية العصبية المعقدة ومحيطها المادي.

جهد مجتمعي

يؤكد رمديا أن NeuroMechFly كان وسيظل مشروعًا مجتمعيًا. على هذا النحو، فإن البرنامج مفتوح المصدر ومتاح مجانًا للعلماء لاستخدامه وتعديله. 

“لقد بنينا أداة، ليس فقط من أجلنا، ولكن أيضًا للآخرين. لذلك، جعلناه مفتوح المصدر ونمطيًا، وقدمنا ​​إرشادات حول كيفية استخدامه وتعديله. “

ويضيف قائلاً: “يعتمد التقدم العلمي أكثر فأكثر على جهد المجتمع”. من المهم للمجتمع استخدام النموذج وتحسينه. لكن أحد الأشياء التي تقوم بها NeuroMechFly بالفعل هو رفع المستوى. 

من قبل، نظرًا لأن النماذج لم تكن واقعية جدًا، لم نسأل كيف يمكن إبلاغها مباشرة بالبيانات. لقد أوضحنا هنا كيف يمكنك القيام بذلك؛ يمكنك أخذ هذا النموذج وسلوكيات إعادة التشغيل واستنتاج معلومات ذات مغزى. 

لذلك أعتقد أن هذه خطوة كبيرة إلى الأمام “.

المصدر: scitechdaily

قد يهمك:

شركة SEO

خطوات إنشاء حساب Exness

فتح قناة على تيليجرام

زيادة متابعين تيك توك

قالب ووردبريس Profession للسيرة الذاتية

أنت تستخدم إضافة Adblock

يعتمد موقع انشاء على الاعلانات كمصدر لدعم الموقع، يجب عليك ايقاف تشغيل حاجب الاعلانات لمشاهدة المحتوي